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未知の種類の粒界すべり：ラヒンガーすべりとリフシッツすべりはどのように異なるのか？
粒界滑り (GBS) は、外力の作用下で粒子が互いに滑り合う材料の変形メカニズムであり、通常、多結晶材料で発生します。この現象はクリープ過程と絡み合っており、粒界の形状も滑りの速度と程度に影響を与えます。高温では、粒界滑りは粒子間の亀裂の形成を防ぐ動きです。多くの材料では、Rachinger スリップと Lifshitz スリップの 2 つのタイプが最も一般的に言及されていますが、それらの間には明らかな違いがあります。
ラチンジャー滑りは主に弾性滑りであり、粒子はほぼ元の形状を維持しますが、リフシッツ滑りは拡散プロセスを伴い、粒子の形状が変化します。
ラヒンガー滑りとリフシッツ滑りの比較
高温クリープ中、ラチンジャー滑りは主に、外部応力の印加下で元の形状を維持しながら粒子が相対的に滑ることとして現れます。このプロセス中、内部応力は増大し続け、最終的には外部から加えられた応力と平衡に達します。たとえば、一軸の引張応力が適用されると、粒子は伸びに対応するためにスライドし、適用された応力の方向に沿って粒子の数が増加します。
比較的、リフシッツ スリップは、ナバロ ヘリングおよびコーブル クリープと密接に関連するプロセスです。この場合、応力が加えられると、空孔の拡散により粒子の形状が変化し、加えられた応力の方向に粒子が伸長します。これにより、加えられた応力の方向に沿って粒子の数が増加することはありません。
これら 2 つの滑りメカニズムを通じて、高温での材料の挙動を理解するために重要なさまざまな変形特性を観察できます。
平衡機構と転位運動
多結晶粒子が相互にスライドする場合、この滑りの発生を助け、粒子間の重なりを避けるための対応するメカニズムが存在する必要があります。この目的を達成するために、学者たちは転位運動、弾性変形、拡散適応メカニズムなどのさまざまな平衡メカニズムを提案してきました。特に超塑性条件下では、転位の移動と粒界拡散の影響が特に顕著になります。
たとえば、材料が超塑性温度にある場合、材料内の転位が急速に放出され、粒界で吸収されます。これにより、結晶粒の形状が安定し、高いひずみ速度での材料の流れがサポートされます。
実験的証拠とナノマテリアルの影響
実験的には、粒界滑りの現象はさまざまな材料で観察されており、その中には 1962 年の NaCl と MgO の双晶での観察も含まれます。これらの実験では、顕微鏡技術を使用して、粒界での滑り挙動を明らかにします。ナノ結晶材料の出現により、高温動作時に粒界滑りが頻繁に発生します。これは、ナノ結晶材料の微細な結晶粒構造は、粗粒よりも高温および低温で滑りを引き起こしやすいためです。
粒子のサイズと形状を制御すると、粒界の滑りの程度を効果的に低減できます。これは、多くの材料の設計において重要です。
タングステンフィラメントの研究
タングステン フィラメントでは、主な破損メカニズムは粒界滑りであることが研究で判明しています。動作温度が上昇すると、粒界間の拡散により滑りが発生し、最終的にはフィラメントの破損が発生する可能性があります。フィラメントの寿命を延ばすために、研究者らはアルミニウム、シリコン、カリウムなどの元素を加えてタングステンを改良し、高温での滑りを軽減しました。
結論としては、特に航空宇宙産業や自動車産業などの極限環境における高温材料の開発には、ラヒンガー滑りとリフシッツ滑りの本質的な違いを理解することが不可欠であるということです。この知識は、科学者やエンジニアが将来の課題に対処するために、より耐久性のある材料を設計するのに役立ちます。材料科学の探求において、これらの問題に対する重要な解決策を見つけることはできるでしょうか?
